Расчет и подбор стандартного теплообменника

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Теоретическая часть

2. Задание

3. Расчёты

3.1 Определение физических параметров

3.2 Расчёт тепловых балансов

3.3 Механический расчет

3.4 Определение гидравлического сопротивления

Заключение

Использованная литература



Введение

Целью работы является расчет и подбор стандартного теплообменника с расходом G горячего теплоносителя с t1Н, t1К и холодного теплоносителя с t2Н, t2К. Подобрать технологическую схему, в которой возможно применение данного теплообменника.

Задачи работы: подбор стандартного теплообменного аппарата, расчет его гидравлического сопротивление, его конструктивный расчет и выбор вспомогательного оборудования. Так же построение двух чертежей: общий вид теплообменного аппарата и технологическая схема процесса.

При проектировании и конструировании теплообменных аппаратов необходимо максимально удовлетворять многосторонние требования. Основными из них являются: соблюдений условий технологического процесса; низкое гидравлическое сопротивление аппарата; более высокий коэффициент теплопередачи; доступность поверхности теплопередачи для чистки; коррозийная устойчивость; экономическая выгода; технологичность конструкции с точки зрения ее изготовления.

Теплообменник труба в трубе служит для нагревания или охлаждения теплоносителя в системах отопительного и промышленного типа. Данные аппараты используются также в нефтегазовой, химической и других отраслях промышленности.

При помощи теплообменных аппаратов, или теплообменников, осуществляется обмен тепловой энергией между двумя веществами, использующимися в роли теплоносителя. Это приводит к нагреванию одного из них, и охлаждению другого. Исходя из этой способности одни теплообменники на тепловых трубах выполняют роль нагревателей, другие - холодильников.

Способ передачи тепла устройствами может быть:

· Поверхностным. Служит для разделения теплоносителя. В данном случае предусмотрена специальная стенка, хорошо проводящая тепло между двумя отделениями резервуара.

· Регенеративным. Процедура передачи тепла включает в себя два этапа, в процессе которых специальная насадка попеременно нагревается и охлаждается.

· Смесительным. Для теплообмена двух сред применяется их прямой контакт и перемешивание.



1. Теоретическая часть

Теплообменные аппараты

Теплообменные аппараты в зависимости способа передачи теплоты подразделяют на поверхностные, смесительные (контактные), регенеративные (Рис.1). Поверхностные теплообменники представляют собой наиболее значительную группу аппаратов, используемых в химической технологии. В таких аппаратах теплоносители разделены стенкой, через которую теплота передаётся за счёт теплопроводности материала стенки.

Главной характеристикой таких аппаратов является площадь поверхности стенки, поскольку именно от её размера зависит количество теплота, передаваемое в аппарате от одного теплоносителя к другому. Форма поверхности стенки может быть трубчатой, плоской или иной. В смесительных (контактных) теплообменниках теплообмен происходит при непосредственном соприкосновении теплоносителей. В регенеративных теплообменниках процесс переноса тепла от горячего теплоносителя к холодному происходит на насадке, которая нагревается горячим теплоносителем, а затем сама нагревает холодный теплоноситель.

Рис.1. Классификация теплообменных аппаратов

По назначению поверхностные теплообменные аппараты подразделяют на следующие типы:

холодильники - для охлаждения жидких или газовых сред;

подогреватели - для нагрева жидких или газовых сред жидким теплагентом или конденсирующимся паром;

конденсаторы - для конденсации паров при охлаждении водой или другим хладагентом;

испарители - для испарения жидкостей при обогреве паром или жидким высокотемпературным теплоносителем.

По способу передачи теплоты данные аппараты подразделяют на 2 вида:

· поверхностные - отсутствует непосредственный контакт теплоносителей, а передача тепла происходит через твердую стенку,

· смесительные - теплоносители контактируют непосредственно.

Теплообменники часто применяются на технологических объектах по обезвоживанию, обессоливанию и стабилизации нефти.

Для переработки нефтепродуктов используют теплообменные аппараты, имеющие разветвленную сетчатую структуру - она обеспечивает необходимые агрегатные состояния для получения углеводородов с разной степенью вязкости.

Наибольшее распространение в тепло массообменных и тепло технологических установках получили следующие процессы: нагревание, охлаждение, конденсация, выпаривание, сушка, дистилляция, плавление, кристаллизация, затвердевание. По потенциалу теплоносителя теплотехническое оборудование можно разделить на низкотемпературное, среднетемпературное и высокотемпературное. К высокотемпературным установкам относятся промышленные печи, им соответствуют рабочие температуры в пределах 400...2000 °С.

Рис. 2 Теплообменные аппараты типа “труба в трубе”

Данную группу аппаратов относят к поверхностным тепловым приборам. Устройство теплообменника труба в трубе не отличается особой сложностью. Чаще всего в состав теплообменника входит несколько элементов: их располагают друг над другом, соединяя между собой специальным креплением. В состав каждого отдельного звена входят вставленные друг в друга трубы, предназначенные для теплообмена между собой. Внешнюю трубу большего диаметра соединяют с аналогичными элементами соседних отделений.

Рис. 3

Это же касается и расположенных внутри труб меньшего диаметра: для них также применяется последовательное соединение. Для обеспечения возможности регулярных чисток на всех соединениях устанавливаются разъемы. Внутренние трубы в основном соединяют съемными калачами. За счет маленького поперечного сечения внутри системы достигается высокая скорость перемещения теплоносителя по трубам и между ними.

Простая схема теплообменника труба в трубе не является помехой для его значительной популярности. Что касается обслуживания, то простота устройства дает возможность проводить его самостоятельно, без привлечения сантехников.

Чтобы рассчитать габариты основных секций теплообменника труба в трубе, потребуется информация о следующих параметрах:

· Средний показатель разницы температур теплоносителей.

· Тепловая нагруженность прибора.

· Коэффициент теплоотдачи, происходящей между стенками аппарата и теплоносителем.

· Показатель теплового сопротивления стенок теплообменника.

· Площадь расчетной поверхности, вдоль которой осуществляется теплообмен.

Используемые материалы:

В производстве используется различные материалы, такие как: углеродная сталь, нержавеющая сталь, сплавы хрома и никеля, титан и медь. Каждый аппарат надежно защищен от внешних воздействий анодированием или полимерным покрытием. Для низких температур при необходимости применяются теплоизоляционные материалы из вспененного каучука. Так же, каждый теплообменный аппарат можно дополнительно укомплектовать защитным чехлом из специального тканого материала.

Достоинства теплообменников типа “труба в трубе”:

1) Высокий коэффициент теплоотдачи

2) Пригодности для нагрева или охлаждения сред при высоком давлении

3) Простоте монтажа и обслуживания.

Недостатки теплообменников типа “труба в трубе”:

1) Слишком громоздкие

2) Дорогая цена из-за высокого расхода материала на трубы крупного диаметра (наружные)

3) Трудности при осмотре, чистке и ремонте.



2. Задание

Рассчитать теплообменник типа “труба в трубе” для охлаждения метилового спирта водой

Дано:

Производительность теплообменника (количество метилового спирта) G₁= 4т/ч

Температуры метилового: и

Температуры охлажденной воды: и



3. Расчеты

3.1 Определение физических параметров

Все нижеперечисленные табличный значения взяты из книги Ю. И. Дытнерского “Основные процессы и аппараты химической технологии” 1991г.

В задании на проектирование заданы рабочие среды (теплоностители), начальные и конечные их температуры. Нужно определить среднюю температуру каждой среды и при средней температуре найти по справочным таблицам значения физических параметров каждой среды

Для метилового спирта:

Среднюю температуру среды можно определим, как среднее арифметическое из значения температур:

^,

Из таблицы “плотность органических жидких веществ и водных растворов” (в кг/м³) находим плотность метилового спирта ??₁ =764 кг/м³

По таблице “теплоемкость органических жидких веществ и водных растворов” находим теплоемкость метилового спирта C₁ = 2654 Дж/кг*K

По таблице “ коэффициенты теплопроводность жидких веществ и водных растворов” находим коэффициент теплопроводности метилового спирта ₁=0,179

По таблице “вязкость жидких веществ и водных растворов” находят вязкостей метилового спирта ₁ =0,0006 Па*c

Для воды:

^,

Из таблицы плотность органических жидкостей (в кг/м³) находим плотность воды ??₂ =990 кг/м³

По таблице теплоемкость органических жидкостей находим теплоемкость воды C₂= 4195 Дж/кг*K

По таблице “коэффициенты теплопроводности жидкости” находим коэффициент теплопроводности воды ₂=0,607

По таблице “вязкость жидкостей” находим вязкостей воды ₂ = 0,0006 Па*c

3.2 Расчёт тепловых балансов

Тепловой баланс

При условии Q= Q₁= Q₂

Q₁=G₁c₁()=1,1*2654*(60-30) = 87582 Вт

Материальный баланс

Из условия Q₁= Q₂ находим G₂:

G₂===1,23 кг/с

Определение средне-логарифмической разности температур:

,

Ориентировочный выбор теплообменника.

Поскольку в данном примере свойства теплоносителей мало отличаются от свойств воды, примем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи, соответствующее турбулентному течению (табл. 2.1): K_op=1250 Вт/(м²*K). При этом ориентировочное значение поверхности теплообменника составит:

При условии Q=Q₁ примем Q=87582 Вт

F_op = = 3 м²

Скорость охлаждающей жидкости и число Re в трубе [2] площадью поперечного сечения 0,0011 м² и эквивалентным диаметром 0,008 м:

,

,

Находим коэффициент теплоотдачи жидкости б:

,

,

Для турбулентного режима показатель уровня Re=(50ч3000) и Pr=(0,7ч80) будет следующим: a=0,6; б=0,73; c=0,33 [2]. Примем температуру стенки и среднюю температуру жидкости практически одинаковыми =1

,

=,

Скорость охлаждающей жидкости и номер Re:

,

,

Используя приведенную выше информацию, находим коэффициент теплоотдачи жидкости:

,

,

,

Коэффициент теплопередачи находится по следующей формуле:

,

[4].

,

Материальный баланс процесса охлаждения

По формуле объемного расхода составим уравнение материального баланса и найдем массовый расход метилового спирта на выходе водного раствора: теплообменный охлаждение метиловый вода

V=

,

,

,

Плотность метилового спирта при 60? на входе , плотность воды при 20? на выходе Массовый расход на входе кг/c

=1.45 кг/c

3.3 Механический расчет

Требуемая поверхность нагрева:

,

Итак, выбранный однопоточный теплообменник типа ТТОН подходит для рассматриваемого устройства. Устройство имеет поверхность теплообмена F=, N=2 труб, D=89x5, D=89мм, l=6м.

Из данных табл. Следует, что из выбранного ряда подходит теплообменник с трубами длинной 6 м и номинальной поверхностью F_1K=3,36 м². При этом запас составит:

_,

3.4 Определение гидравлического сопротивления

Скорость жидкости в трубах:

м/с;

Коэффициент трения рассчитываем по формуле:

,

;

где относительная шероховатость труб, в расчётах примем мм.

Диаметр штуцеров в распределительной камере м

;

Рассчитаем скорость в штуцерах по формуле:

,

Сопротивление межтрубного пространства равно:

,

z - число ходов;

l - длина труб, м;

266,78 Па,

F=

D=89x5

D=89мм

l=6м

N=2



Заключение

В данном курсовом проекте были произведены тепловые и гидравлические расчёты на основании которых были сделаны выводы. Был выбран наиболее оптимальный теплообменный аппарат. Также во введении были отражены основные законы теплообмена и течения жидкостей.

По данным условиям мы рассчитали процесс охлаждения метилового спирта в теплообменном аппарате типа “труба в трубе”. Так же по приведенным данным произвели расчёт теплового баланса.

Теплообменники типа ТТОН Неразборные однопоточные теплообменники труба в трубе ТТОН предназначены для таких условий эксплуатации, когда среда, проходящая в кольцевом пространстве, не дает отложений, вызывающих необходимость механической очистки наружной поверхности теплообменных труб.

Аппараты с приварными двойниками (1 исполнение) предназначены для условий, когда среда трубного пространства также не требует механической очистки внутренней поверхности теплообменных труб.

Аппараты со съемными двойниками (2 исполнение) наиболее пригодны для условий эксплуатации, вызывающих необходимость регулярной механической очистки внутренней поверхности теплообменных труб от загрязнений.



Использованная литература

1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А., “Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии”. Л.; Химия, 1983.

2. Борисов Г.С., Брыков В.П., Дытнерский Ю.И., и другие, “Основные процессы и аппараты химической технологии”. М.: Химия, 1991

3. “Авербух Я.Д., Заостровский Ф.П., Матусевич Л.Н., “Процессы и аппараты химической технологии: курс лекций” 1973

4. Локотанов Н.С., “Процессы и аппараты химической технологии: Методические указания к курсовому проектирования”. Свердловск: изд. УПИ, 1985

5. Лащинский А.А., Толчинский А.Р., “Основы конструирования и расчета химической аппаратуры”. Л.: Машиностроение, 1970

6. Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.З., “Процессы и аппараты химической технологии” 1968

Размещено на Allbest.ru

...